Как найти скорость спутника физика

Содержание

  1. Как найти скорость спутника физика
  2. Шаг 1: Определите окружающие условия
  3. Шаг 2: Найдите законы движения
  4. Шаг 3: Используйте математические формулы
  5. Шаг 4: Используйте программное обеспечение для вычисления скорости спутника
  6. Итог
  7. Как найти скорость спутника физика
  8. Основные понятия и формулы
  9. Как найти радиус орбиты и период обращения спутника
  10. Пример вычисления скорости спутника
  11. Общий итог
  12. Как найти скорость спутника физика
  13. Метод отслеживания
  14. Учет орбитальной скорости
  15. Интерпретация результатов
  16. Итоги

Как найти скорость спутника физика

Скорость спутника — это его скорость относительно Земли или другого небесного тела. Она может быть выражена в километрах в секунду или метрах в секунду. Нахождение скорости спутника может быть полезным для многих приложений, от навигации до спутникового телекоммуникационного оборудования и научных исследований космического пространства.

Шаг 1: Определите окружающие условия

Первым шагом в нахождении скорости спутника является определение окружающих условий, таких как высота орбиты, масса небесного тела, скорость вращения и другие факторы, которые могут влиять на движение спутника. Для этого можно воспользоваться таблицами и базами данных, которые содержат информацию о небесных телах.

Шаг 2: Найдите законы движения

Определите законы движения, которые потребуются для вычисления скорости спутника. Некоторые из таких законов могут включать закон всемирного тяготения, закон сохранения импульса и другие теоретические принципы движения небесных тел.

Шаг 3: Используйте математические формулы

Используйте математические формулы и уравнения, чтобы рассчитать скорость спутника. Например, скорость может быть вычислена как произведение радиуса орбиты на частоту обращения.

  • Другие полезные формулы, которые могут использоваться для расчета скорости спутника, включают законы Кеплера, уравнение кругового движения, закон всемирного тяготения и многие другие.
  • Для использования этих формул может потребоваться дополнительное знание дифференциальных уравнений, векторной алгебры и других математических принципов.

Шаг 4: Используйте программное обеспечение для вычисления скорости спутника

Существуют различные программы и приложения, которые могут помочь в расчете скорости спутника. Эти программы могут использоваться как для общих целей, так и для более специфических задач.

Например, программное обеспечение NASA специально разработано для того, чтобы помочь ученым и инженерам вычислять скорость спутников и других небесных тел. Это программное обеспечение содержит множество математических формул и принципов, которые могут использоваться для нахождения скорости спутника.

Итог

Найти скорость спутника может быть сложной задачей, требующей знания физических принципов, математических формул и программного обеспечения. Однако, благодаря различным инструментам, которые доступны сегодня, нахождение скорости становится все более доступным и простым.

Как найти скорость спутника физика

Космические спутники играют важную роль в нашей жизни, обеспечивая множество сервисов, от телевидения и связи до навигации. Для того чтобы настроить маршрут передачи данных или иной взаимодействие с космическим спутником, необходимо узнать его скорость. Эта статья поможет разобраться в том, как найти скорость спутника физика.

Основные понятия и формулы

Первым шагом для понимания скорости спутника является ознакомление с основными понятиями и формулами. Скорость можно определить, разделив расстояние, пройденное спутником, на время, затраченное на прохождение этого расстояния. Более точно скорость определяется как производная расстояния по времени:

$$v = frac{d}{dt}$$

Где v — скорость, d — пройденное расстояние, t — время. В то же время, для определения скорости спутника необходимо учитывать его орбиту. Орбита — это траектория, по которой движется спутник вокруг Земли. Орбита может быть круговой или эллиптической.

Для определения скорости спутника на окружности можно использовать формулу:

$$v = frac{2pi r}{T}$$

Где v — скорость, r — радиус орбиты, T — период обращения спутника вокруг Земли. В случае эллиптической орбиты можно использовать следующую формулу:

$$v = sqrt{frac{GM(2/r — 1/a)}{1 — e^2}}$$

Где v — скорость, G — гравитационная постоянная, M — масса Земли, r — расстояние от центра Земли до спутника, a — длинная полуось орбиты, e — эксцентриситет орбиты.

Как найти радиус орбиты и период обращения спутника

Для использования формул для нахождения скорости спутника, необходимо сначала найти его радиус орбиты и период обращения. Существует несколько способов этого добиться.

  • Воспользоваться спутниковыми данными. Одним из наиболее точных способов определения радиуса орбиты и периода обращения является изучение данных, предоставляемых спутником. Вы можете обратиться к документации, предоставляемой производителем спутника, или использовать данные, доступные в Интернете. Существуют специальные ресурсы, например, www.n2yo.com, которые предоставляют информацию о многих космических объектах.
  • Найти расстояние от Земли до спутника. Если нет спутниковых данных, то можно воспользоваться другими методами нахождения радиуса орбиты, например, научиться определять расстояние между Землей и спутником. Это можно сделать с помощью радиоизмерений или оптических методов. Подробнее о приблизительных методах измерения расстояния рассказано в статье о размере Земли.
  • Использовать геометрические формулы. Если необходима только грубая оценка радиуса орбиты, можно использовать геометрические формулы. Например, длину дуги окружности можно вычислить по формуле: длина дуги = угол в радианах x радиус окружности. Зная период обращения спутника и угол, на который он повернулся за этот период, можно найти радиус орбиты.

Пример вычисления скорости спутника

Предположим, что мы хотим вычислить скорость спутника, который движется по круговой орбите на расстоянии 2000 км от центра Земли. По формуле для скорости на окружности, нам нужно найти период обращения спутника:

$$v = frac{2pi r}{T}$$

Перенеся T через знак деления, получим:

$$T = frac{2pi r}{v}$$

Для того чтобы применить эту формулу, нам необходимо знать скорость. Однако она должна быть большой, чтобы спутник мог поддерживать связь или работать на другие цели. Для практических нужд можно взять скорость, равную 7700 м/с, что является усредненной скоростью для спутников, находящихся на низкой околоземной орбите. Подставив значения в формулу, получим:

$$T = frac{2pi cdot 2000}{7700} approx 1,645text{ часа}$$

Обратите внимание, что результат дан в часах, тогда как изначально в формуле использовалась единица измерения времени — секунды. Однако это не страшно, как и то, что мы выбрали усредненную скорость для спутника, а не конкретную для того или иного объекта. Это можно сделать только на основе данных, которые заранее знать очень сложно.

Теперь мы можем использовать найденное значение периода, чтобы найти радиус орбиты. Для этого нужно воспользоваться фундаментальной формулой:

$$v = sqrt{frac{GM}{r}}$$

Перенеся r через знак корня, получим:

$$r = frac{GM}{v^2}$$

Здесь М — масса Земли (5,97 x $10^{24}$ кг), а G — гравитационная постоянная (6,67 x $10^{-11}$ Н x м$^2$/кг). Подставив значения, получим:

$$r = frac{6,67 cdot 10^{-11} cdot 5,97 cdot 10^{24}}{(7700)^2} approx 6,7 cdot 10^6 text{ м}$$

Таким образом, найденная скорость спутника на круговой орбите составляет 7,7 км/с, а радиус орбиты — примерно 6700 км.

Общий итог

Найти скорость спутника невозможно без знания его орбиты, радиуса орбиты и периода обращения. Определить эти параметры можно на основе спутниковых данных, радиоизмерений или геометрических формул.

Определить скорость спутника можно, используя формулы для скорости на окружности или для скорости на эллиптической орбите. Рассчитывать эти параметры можно как вручную, так и с помощью специальных калькуляторов или программных приложений.

Надеемся, что этот материал поможет вам лучше понимать, как найти скорость спутника между Землей и созвездием, а также в расчетах для связи и других практических целей.

Как найти скорость спутника физика

Узнать скорость спутника может быть полезным во многих ситуациях, особенно в космической инженерии. Одним из самых популярных методов определения скорости является метод отслеживания, который позволяет измерить расстояние между объектом и спутником. Затем можно использовать формулу, чтобы рассчитать скорость спутника. В этой статье мы рассмотрим, какие формулы следует использовать и какие параметры необходимо учитывать для расчетов.

Метод отслеживания

Метод отслеживания заключается в следующем: измерить время, требующееся для того, чтобы сигнал прошел от одной точки к другой, и использовать эту информацию для расчета расстояния между объектом и спутником. Чтобы использовать этот метод, необходимо знать время, за которое сигнал был отправлен и получен. Это время можно измерить с помощью специальных приборов, а также методов отслеживания, таких, как GPS.

Если расстояние между объектом и спутником известно, можно легко рассчитать скорость спутника, используя простую формулу:

Скорость = Расстояние / Время

Например, если расстояние между объектом и спутником составляет 50 000 км, а время, требуемое для передачи сигнала, составляет 0,1 секунды, скорость спутника составляет:

  • 50 000 / 0,1 = 500 000 км/с

Учет орбитальной скорости

При расчете скорости спутника необходимо учитывать не только время, требующееся для передачи сигнала, но и скорость, с которой спутник движется по его орбите. Орбитальная скорость — это скорость, с которой спутник движется по окружности или эллиптической орбите вокруг планеты.

Чтобы учесть орбитальную скорость, нужно знать радиус орбиты спутника и время, в течение которого он проходит полный оборот вокруг планеты. Тогда можно рассчитать орбитальную скорость по формуле:

Орбитальная скорость = 2 * П * Радиус орбиты / Время, за которое спутник проходит полный оборот

Например, пусть спутник находится на орбите радиусом 10 000 км и проходит полный оборот вокруг Земли за 90 минут. Тогда его орбитальная скорость составляет:

  • Орбитальная скорость = 2 * 3,14 * 10000 / 90 = 698 км/с

Затем можно использовать эту информацию, чтобы рассчитать конечную скорость спутника с помощью следующей формулы:

Конечная скорость = Орбитальная скорость + Скорость, измеренная с помощью метода отслеживания

Например, если скорость, измеренная с помощью метода отслеживания, составляет 500 000 км/с, а орбитальная скорость — 698 км/с, конечная скорость спутника составляет:

  • Конечная скорость = 500 000 + 698 = 500 698 км/с

Интерпретация результатов

Результаты, полученные при расчете скорости спутника, могут иметь различную оценку в зависимости от того, для какой задачи они были получены. Например, если спутник используется для навигации, то скорость его движения должна быть достаточно точной и рассчитываться на основе данных метода отслеживания и орбитальной скорости. Если же скорость измеряется для оценки технических характеристик спутника, то могут использоваться более простые методы, не учитывающие орбитальную скорость.

Итоги

В этой статье мы рассмотрели, как найти скорость спутника физика с помощью метода отслеживания и учета орбитальной скорости. Для расчетов используются простые математические формулы, требующие знания радиуса орбиты, времени прохождения полного оборота спутника вокруг планеты и времени, требующегося для передачи сигнала. Полученные результаты могут быть использованы для определения технических характеристик спутника, а также для навигационных целей и различных других задач.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июля 2021 года; проверки требуют 10 правок.

Файл:Скорость небесного тела

Скорость кеплеровского движения небесного тела вокруг Солнца, а также её радиальная и поперечная компоненты (анимация).

Орбитальная скорость тела (обычно планеты, естественного или искусственного спутника, кратной звезды) — скорость, с которой оно вращается вокруг барицентра системы, как правило вокруг более массивного тела.

Определение[править | править код]

В полярных координатах выражение для орбитальной скорости v при кеплеровском движении по коническому сечению (эллипсу, параболе или гиперболе) имеет следующий вид[1]:

{displaystyle v={sqrt {{frac {mu }{p}}(1+2varepsilon cos theta +varepsilon ^{2})}},}

где:

mu — гравитационный параметр, равный G(M + m) — в общей задаче двух тел, или GM — в ограниченной, где G — гравитационная постоянная, M — масса центрального тела, m — масса вращающегося тела;
p — фокальный параметр конического сечения (расстояние от фокуса до директрисы для параболы, отношение {displaystyle b^{2}/a} — для эллипса и гиперболы);
varepsilon — эксцентриситет (0<varepsilon <1 для эллипса, varepsilon = 1 для параболы, varepsilon > 1 — для гиперболы);
theta — истинная аномалия, угол между направлением из центра, расположенного в фокусе, на ближайшую к нему точку орбиты и радиусом-вектором вращающегося тела.

Орбитальная скорость также может вычисляться по общей формуле

{displaystyle v={sqrt {2left({frac {mu }{r}}+epsilon right)}}={sqrt {mu left({frac {2}{r}}-{frac {1}{a}}right)}},}

где

mu — гравитационный параметр,
r — расстояние между вращающимся телом и центральным телом,
epsilon — удельная орбитальная энергия,
a — длина большой полуоси (или вещественной оси).

При этом

Орбиты Земли[править | править код]

Орбита Расстояние между центрами масс, км Высота над
поверхностью Земли, км
Орбитальная скорость, км/с Орбитальный период Удельная орбитальная энергия, МДж/кг
Поверхность Земли, для сравнения 6 400 0 7,89 −62,6
Низкая околоземная орбита 6 600—8 400 200—2 000 круговая: 7,8—6,9
эллиптическая: 6,5—8,2
89—128 мин −29,8
Высокоэллиптическая орбита спутников Молния 6 900—46 300 500—39 900 1,5—10,0 11 ч 58 мин −4,7
Геостационарная орбита 42 000 35 786 3,1 23 ч 56 мин −4,6
Орбита Луны 363 000—406 000 357 000—399 000 0,97—1,08 27,3 дня −0,5

Солнечная система[править | править код]

Планета
(другое тело)
Орбитальная скорость,
км/с
Меркурий 47,36
Венера 35,02
Земля 29,78
Марс 24,13
Церера 17,88
Юпитер 13,07
Сатурн 9,69
Уран 6,81
Нептун 5,43
Плутон 4,66
Хаумеа 4,48
Макемаке 4,41
Эрида 3,43
Луна 1,02

Примечания[править | править код]

  1. Балк М. Б. Скорость спутника и её компоненты // Элементы динамики космического полета. — М.: Наука, 1965. — С. 61—62. — 340 с. — (Механика космического полета).

Если мы подбросим камень в воздух – он упадет на Землю. Если у самолета на высоте 10 километром отключаться двигатели – он тоже упадет на Землю. Но спутники и космические корабли, что мы запускаем в космос, не падают. Почему?

Все дело в том, с какой скоростью тот или иной объект удаляется от планеты. Хватит ли этому объекту энергии преодолеть притяжение планеты.

Оглавление

  • 1 Первая космическая скорость
    • 1.1 Расчет
  • 2 Вторая космическая скорость
    • 2.1 Расчет
  • 3
  • 4 Третья космическая скорость
    • 4.1 Расчет
  • 5 Четвертая космическая скорость
  • 6 Пятая космическая скорость
  • 7 Почему спутники не падают на Землю

Первая космическая скорость

Это та самая минимальная скорость для выхода корабля или спутника на круговую орбиту, равную радиуса планеты, без учета вращения планеты и сопротивления ее атмосферы.

Если скорость будет превышать первую, но не достигнет второй космической скорости, то траектория тела из круговой начнет переходить в эллиптическую.

Впервые такую скорость смог достичь первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» СССР 4 октября 1957 года.

Расчет

Расчет первой космической скорости

Расчет первой космической скорости

Расчет первой космической скорости

Первая космичсекая скорость

Вторая космическая скорость

Это минимальная скорость, которую следует придать телу для того, чтобы оно покинуло замкнутую орбиту и смогло улететь от небесного тела за пределы его гравитационного поля.

Иными словами, для Земли, это та скорость, с которой должны двигаться космические аппараты (КА) для полетов к другим объектам Солнечной системы: Луны, Марса и т.д.

Движение тела на второй космической скорости происходит по параболической траектории.

Впервые такую скорость развил Советский космический аппарат Луна-1 2 января 1959 года, чтобы преодолеть расстояние от Земли до Луны и изучить наш естественный спутник.

Расчет

Расчет второй космической скорости

Расчет второй космической скорости

Вторая космическая скорость

Третья космическая скорость

Такую скорость необходимо придать телу, чтобы оно смогло покинуть Солнечную систему. Так как 99,8% массы Солнечной системы приходится на Солнце, то можно сказать, что КА надо преодолеть гравитационное притяжение Солнца.

Расчет

Расчет третьей космической скорости

Расчет третьей космической скоростиРасчет третьей космической скорости

Для Солнечной системы это величина равна 16,650 км/с.

Самое выгодное расположение космодрома для подобного запуска – максимально близко к экватору, так как на экваторе самая большая скорость собственного вращения Земли вокруг своей оси и направление движения в сторону вращения Земли и в сторону орбитального движения Земли по орбите.

КА «Новые горизонты» покинул атмосферу Земли со скоростью близкой к третьей космической – 16,26 км /с. Относительно Солнца он имел скорость 45 км/с. Такой скорости недостаточно, чтобы покинуть Солнечную систему. Но благодаря гравитационному маневру у Юпитера, «Новые горизонты» добавил еще 4 км/с, что позволило ему покинуть Солнечную системы, предварительно показав нам карликовую планету Плутон.

Четвертая космическая скорость

Комические скорости

Эта та скорость, которая позволит покинуть галактику в данной точке.

Четвертая космическая в основном не зависит от месторасположения Земли в Млечном пути. Она зависит от расположения и плотности звездного вещества в окрестностях Солнечной системы. А эти данные пока мало изучены.
Для нашей части галактики четвертая космическая скорость примерно равна 550 км/с.

Пятая космическая скорость

Эта скорость редко применима и является больше «фантазией», так как такую скорость необходимо развить для путешествия на другую планету в другую звездную систему, независимо от их взаимного расположения, с траекторией перпендикулярно плоскости эклиптики.

Для Земли эта скорость будет равна 43,6 км/с.

Почему спутники не падают на Землю

Спутник на орбите

Этот вопрос поднимался в самом начале статьи. Теперь давайте на него ответим.

На спутник на орбите действует сила тяжести со стороны Земли. И под действием этой силы спутнику логичнее упасть.
Но, он летит вокруг Земли с первой космической скоростью – 7,9 км/с. Вспомните, чем больше скорость – тем сложнее затормозить. Вот и здесь, спутник и хотел бы упасть, но он не может затормозить и просто пролетает мимо Земли по инерции, тем самым продолжая бесконечное падение.

То есть, спутники падают, но промахиваются и не попадают в Землю.

Еще больше космоса и интересных фактов в телеграмм-канале.

В работах Ньютона можно найти замечательный рисунок, показывающий, как можно осуществить переход от простого падения тела по параболе к орбитальному движению тела вокруг Земли (рис. 107). «Брошенный на землю камень,— писал Ньютон,— отклонится под действием тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадет наконец на Землю. Если его бросить с большей скоростью, то он упадет дальше». Продолжая эти рассуждения, нетрудно прийти к выводу, что если бросить камень с высокой горы с достаточно большой скоростью, то его траектория могла бы стать такой, что он вообще никогда не упал бы на Землю, превратившись в ее искусственный спутник.

Вывод спутника на орбиту

Минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности Земли, чтобы превратить его в искусственный спутник, называется первой космической скоростью.

Для запуска искусственных спутников применяют ракеты, поднимающие спутник на заданную высоту и сообщающие ему в горизонтальном направлении требуемую скорость. После этого спутник отделяется от ракеты-носителя и продолжает дальнейшее движение лишь под действием гравитационного поля Земли. (Влиянием Луны, Солнца и других планет мы здесь пренебрегаем.) Ускорение, сообщаемое этим полем спутнику, есть ускорение свободного падения g. С другой стороны, поскольку спутник движется по круговой орбите, это ускорение является центростремительным и поэтому равно отношению квадрата скорости спутника к радиусу его орбиты. Таким образом,

g = v2/r,

откуда

v = √(gr).

Подставляя сюда выражение (43.1), получаем

Мы получили формулу круговой скорости спутника, т. е. такой скорости, которую имеет спутник, двигаясь по круговой орбите радиусом r на высоте h от поверхности Земли.
Чтобы найти первую космическую скорость v1, следует учесть, что она определяется как скорость спутника вблизи поверхности Земли, т. е. когда h << RЗ и r ≈ RЗ. Учитывая это в формуле (45.1), получаем

Подстановка в эту формулу числовых данных приводит к следующему результату:

v1 = 7900 м/с = 7,9 км/с.

Сообщить телу такую огромную скорость впервые удалось лишь в 1957 г., когда в СССР под руководством С. П. Королева был запущен первый в мире искусственный спутник Земли (сокращенно ИСЗ). Запуск этого спутника (рис. 108) — результат выдающихся достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники и небесной механики.

Искусственный спутник

В 1958 г. на орбиту был выведен первый американский спутник «Эксплорер-1», а несколько позже, в 60-х гг., запуски ИСЗ произвели и другие страны: Франция, Австралия, Япония, KHР, Великобритания и др., причем многие спутники были запущены с помощью американских ракет-носителей.

В настоящее время запуск искусственных спутников является привычным делом, и в практике космических исследований уже давно получило широкое распространение международное сотрудничество.

Запускаемые в разных странах спутники могут быть разделены по своему назначению на два класса:

1. Научно-исследовательские спутники. Они предназначены для изучения Земли как планеты, ее верхней атмосферы, околоземного космического пространства, Солнца, звезд и межзвездной среды.

2. Прикладные спутники. Они служат удовлетворению земных нужд народного хозяйства. Сюда относятся спутники связи, спутники для изучения природных ресурсов Земли, метеорологические спутники, навигационные, военные и др.

К ИСЗ, предназначенным для полета людей, относятся пилотируемые корабли-спутники и орбитальные станции.

Помимо работающих спутников на околоземных орбитах обращаются вокруг Земли и так называемые вспомогательные объекты: последние ступени ракет-носителей, головные обтекатели и некоторые другие детали, отделяемые от ИСЗ при выводе их на орбиты.

Заметим, что из-за огромного сопротивления воздуха вблизи поверхности Земли спутник не может быть запущен слишком низко. Например, на высоте 160 км он способен совершить всего лишь один оборот, после чего снижается и сгорает в плотных слоях атмосферы. По этой причине первый искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту на высоте 228 км, просуществовал только три месяца.

С увеличением высоты сопротивление атмосферы уменьшается и при h > 300 км становится пренебрежимо малым.

Возникает вопрос: а что будет, если запустить спутник со скоростью, большей первой космической? Расчеты показывают, что если превышение незначительно, то тело при этом остается искусственным спутником Земли, но движется уже не по круговой, а по эллиптической орбите. С увеличением скорости орбита спутника становится все более вытянутой, пока наконец не «разрывается», превратившись в незамкнутую (параболическую) траекторию (рис. 109).

Траектория полета на второй космической скорости

Минимальная скорость, которую нужно сообщить телу у поверхности Земли, чтобы оно ее покинуло, двигаясь по незамкнутой траектории, называется второй космической скоростью.

Вторая космическая скорость в √2 раза больше первой космической:

При такой скорости тело покидает область земного притяжения и становится спутником Солнца.

Чтобы преодолеть притяжение Солнца и покинуть Солнечную систему, нужно развить еще большую скорость — третью космическую. Третья космическая скорость равна 16,7 км/с. Имея примерно такую скорость, автоматическая межпланетная станция «Пионер-10» (США) в 1983 г. впервые в истории человечества вышла за пределы Солнечной системы и сейчас летит по направлению к звезде Барнарда.

??? 1. Какую скорость называют первой космической? 2. Как изменяется скорость движения спутника по орбите с увеличением высоты h? 3. Зависит ли скорость движения спутника от его массы? 4. Как направлены скорость и ускорение спутника, движущегося по круговой орбите? Чему равно ускорение такого спутника? 5. Можно ли считать круговое движение спутника равноускоренным? Почему? 6. На какие два класса делят искусственные спутники Земли? 7. Какую скорость называют второй космической? Чему она равна? 8. Что представляет собой третья космическая скорость? 9. Что вы знаете о станции «Пионер-10»?

Чтобы внести ясность в то, какие необходимы условия для того, чтобы тело стало искусственным спутником Земли, предложен рисунок 1. Это копия ньютоновского чертежа. Изображение земного шара дополнено высокой горой, с вершины которой производят бросание камней, придавая им различные по модулю и горизонтально направленные скорости. Действие силы тяжести способствует отклонению движущихся камней от прямолинейного пути. После описания кривой траектории он падает на Землю.

Космические скорости

Рисунок 1

Если прилагать больше сил при бросании, то он упадет дальше. Отсюда следует, что при отсутствии сопротивления воздуха и при наличии большой скорости тело может даже не приземляться на поверхность. Это говорит о его дальнейшем описывании круговых траекторий, не изменяя высоты относительно земной поверхности.

Первая космическая скорость

Чтобы движение вокруг Земли проходило по круговой орбите с радиусом, схожим с земным Rз, тело должно обладать определенной скоростью υ1, которую можно определить из условия равенства произведения массы тела на ускорение силы тяжести, действующей на тело.

Определение 1

Для того, чтобы какое-либо тело могло стать спутником Земли, ему должна быть сообщена скорость υ1, называемая первой космической. При подстановке значений g и Rз в формулу, получаем, что

υ1=gRз=8 км/с.

Вторая космическая скорость

Определение 2

Если тело обладает скоростью υ1, то впоследствии при движении не упадет. Но значения
υ1 недостаточно для выхода из сферы земного притяжения, то есть удалиться от Земли на расстояние, при котором оно теряет свою силу. Для этого нужна скорость υx, которая получила название второй космической или скорость убегания.

Для ее нахождения следует произвести вычисление работы, потраченную против сил земного притяжения для соударения с поверхности Земли на бесконечность. При удалении такого тела получаем:

mυ222-GmMR=0,R=h+r

где m – масса брошенного тела, М – масса планеты, r – радиус планеты, h – длина от основания до его центра масс, G – гравитационная постоянная, υ2 – вторая космическая скорость.

Решив уравнение относительно υ2, получим:

υ2=2GMR.

Существует связь между первой и второй скоростями

υ2=2υ1.

Квадрат скорости убегания равняется ньютоновскому потенциалу в заданной точке, то есть:

υ22=-2Φ=2GMR.

Скорость υ2 считается за вторую космическую. Из сравнений видно, что она в 2 раза больше первой. Если умножить 8 км/с на 2, то получим значение для υ2, приблизительно равняющееся 11 км/с.

Замечание 1

Нужная величина скорости не зависит от направления движения тела. На это влияет вид траектории, по которой происходит удаление от земной поверхности.

Чтобы тело смогло стартовать с поверхности планеты, оно должно обладать второй космической скоростью при малом значении h и большом значении гравитационной силы. Как только ракета начнет удаляться от Земли, гравитационная постоянная будет уменьшаться  вместе со значением, необходимым для убегания кинетической энергии.

Третья космическая скорость

Определение 3

Для выхода за пределы Солнечной системы телу следует преодолеть как силу притяжения к Земле, так и к Солнцу. Для этого применяется третья космическая скорость υ3, позволяющая запускать тело с земной поверхности.

Значение υ3 зависит от направления. Если запуск производится в направлении орбитального движения Земли, тогда ее значение минимально и составит около 17 км/с. Когда тело запущено противоположно направлению движения Земли, тогда значение скорости υ3≈73.

Замечание 2

Еще в СССР были достигнуты космические скорости.

  • Первый запуск искусственного спутника был осуществлен 4 октября 1957 года.
  • Уже 2 января 1959 ученым удалось найти решения для  преодоления сферы земного притяжения. Поэтому запущенная ракета стала первой космической планетой Солнечной системы.
  • Дата 12 апреля 1961 года известна, так как был осуществлен полет человека в космическое пространство. Юрий Алексеевич Гагарин был первым советским космонавтом, совершившим один оборот вокруг Земли, после чего благополучно приземлился.
Пример 1

Определить первую космическую скорость для спутника Юпитера, летающего на небольшой высоте, если дана масса планеты, равная 1,9·1027 кг, а ее радиус R=7,13·107 м.

Дано:

B=1,9·1027 кг,

R=7,13·107 м.

Найти: υ1 – ?

Решение

Для начала запишем формулу для нахождения первой космической скорости: υ1=gR3 (1).

Значение g принимает ускорение свободного падения на Юпитере.

Из закона всемирного тяготения получаем, что mg=GMmr2 (2).

Значение m определено как масса спутника, а М – масса самой планеты.

Если высота спутника над поверхностью Юпитера сравнительно мала относительно его радиуса, тогда ею разрешено пренебречь: r=R.

Получаем, что из уравнения (2) найдем ускорение свободного падения для планеты из

g=GMR2.

После подстановки в уравнение (1), сможем найти первую космическую скорость.

υ1=GMR=42159,45 м/с.

Ответ: υ1=42159,45 м/с.

Добавить комментарий